1. Introdução
Este texto tem por objetivo discutir importantes aspectos da seleção de temperaturas de têmpera e revenimento das diferentes marcas para o aço AISI 420 em função das propriedades mecânicas que se desejaria alcançar, ou “potencializar”, tais como: “dureza”, “resistência à corrosão”, “tenacidade” e “tensão residual”.
Moldes, matrizes, ou ferramentas podem ser construídos em aço-ferramenta inoxidável martensítico com a denominação genérica de “aço 420”. Os fabricantes de aços oferecem o aço AISI 420 com algumas variações na composição química para reforçar uma, ou mais, propriedades, tais como: “resistência à corrosão”, “polibilidade”, “tenacidade” e “dureza”. Cada um dos aços produzidos com variações na composição química indicada pela norma AISI recebe um nome do seu respectivo fabricante. A Tabela 1 mostra 12 diferentes composições químicas das diversas marcas de aço AISI 420 dos fabricantes de aços que foram desenvolvidas para atender às “condições
especiais” de aplicação e, ou, desempenho.
Tabela 1 – Composição química (%) e marcas de fabricantes do aço AISI 420
Marcas C Cr Mo Outros AISI 420 0,15 -.0,40 12,0 -14,0 1 VC150 0,35 13,0 2 VP420IM 0,40 13,5 0,25 V 3 420 0,15 min 12,0 – 14,0 4 420 F 0,15 min 12,0 – 14,0 0,60 max 5 420 FSe 0,30 – 0,40 12,0 – 14,0 Se 0,15 min 6 M310 0,41 14,3 0,60 0,20 V 7 M333 0,28 13,5 - N 8 STAVAX ESR 0,38 13,6 0,30 V 9 STAVAX SUP 0,25 13,3 0,3 Ni 1,4; V 0,3 + N 10 THY 2190 0,40 13,50 0,25 V 11 THY 2316 0,36 16,0 1,2 12 ESKYLOS 2083 0,35-0,45 12,50-13,50 Si e V <1,00 Legenda: 1 e 2 – VILLARES METALS 3, 4 e 5 – GERDAU 6 e 7 – BOEHLER 8 e 9 – UDDEHOLM 10 e 11 – SCHMOLZ-BICKENBACH 12 – LUCCHINI
O usuário do aço AISI 420, muitas vezes, se refere a este, por comodidade, apenas e genericamente como “aço 420”. Não é comum, mas o distribuidor de aço também pode se referir às diferentes marcas desses aços no mercado como apenas “AISI 420”. Esse involuntário não compromisso em declinar a verdadeira origem do aço para o “tratador térmico” tem impacto no tratamento térmico, pois as diferentes marcas têm parâmetros de processo distintos para temperaturas de “austenitização” (temperatura de têmpera) e, principalmente, para as temperaturas da etapa de revenimento. A conseqüência disso é que a “potencialização” da(s) propriedade(s) que se busca pode(m) não ser alcançada(s) e, talvez, até contribuir para desenvolver uma não-conformidade grave se selecionada incorretamente como, por exemplo, a nucleação de trincas durante, ou após, o tratamento térmico e na etapa de usinagem final de construção da matriz, ou peça.
As propriedades que se busca alcançar para o aço inoxidável AISI 420 são atendidas com a realização de um correto tratamento térmico. A “dureza” do aço é uma propriedade que pode ser avaliada de maneira rápida e eficiente depois do tratamento térmico e se situar, dependendo da aplicação do aço, numa ampla faixa que compreende 44 até 58 HRC. A busca de propriedades como “polibilidade”, “resistência à corrosão”, “tenacidade” e menor “tensão
residual” não poderia levar em consideração apenas a dureza do aço, pois,
como se pretende mostrar aqui, não seria possível compatibilizar, por exemplo, “máxima resistência à corrosão” e “menor dureza”, ou “menor tensão residual” e “máxima tenacidade”. O concurso simultâneo dessas propriedades não é possível e algum preço deverá ser pago para selecionar a propriedade de maior interesse, sem comprometer o melhor, ou o bom desempenho da ferramenta construída em aço inoxidável martensítico [1].
2. Propriedades
O tratamento térmico deve ser executado obedecendo às recomendações dos fabricantes dos aços e às condições especificas da tecnologia de aquecimento e resfriamento utilizados neste processo. A literatura técnica especializada e o fabricante de aço fornecem diagramas que retratam as propriedades e as temperaturas recomendáveis para se obter a melhor
combinação de propriedades, tais como a “resistência a corrosão”,
“tenacidade”, “tensão residual” e a “dureza” e que serão discutidas a seguir.
As Figuras 1 e 2, por exemplo, mostram os diagramas que relacionam “dureza” versus “temperaturas” para o tratamento térmico de “revenimento” dos aços Stavax ESR e M310 [2] [3]. É interessante observar o comportamento desse aço à temperatura de revenimento que, à medida que a temperatura sobe até 300 ºC, aproximadamente, a dureza decresce, porém sofre um incremento desta para temperaturas maiores até a ordem de 480 ºC. A partir dessa temperatura (480 ºC), a dureza experimenta queda abrupta para mínimos incrementos desta.
A zona de temperatura compreendida entre 300 e 500 ºC resulta em diferentes propriedades mecânicas que podem afetar o desempenho da peça construída em aço AISI 420. Portanto, é fundamental conhecer aspectos da aplicação da peça e, principalmente, as etapas de finalização de construção desta, em termos de operações como “corte a fio”, “eletroerosão”, “nitretação” e revestimento duro tipo “PVD”, para reduzir o risco, ou mesmo não produzir, eventos não-conformes tais como “trincas”, “baixa qualidade de polimento”, menor “resistência à corrosão”, “tensão residual” elevada, etc... Importante salientar que a modificação da superfície por “nitretação” deve ocorrer em temperatura inferior a 420 ºC nos casos em que a aplicação da superfície pode se tornar interessante, ou até uma exigência.
A Figura 2 mostra o comportamento da dureza para o aço K110 temperado de diferentes temperaturas de “austentiização” (temperatura de têmpera) [3]. Nesses casos, semelhante ao comportamento do aço mostrado na Figura 1, uma maior temperatura de austenitização eleva a curva de dureza para as temperaturas de revenimento.
Figura 2 – Curva de dureza para o revenimento do aço M310 [3]
A Figura 3 mostra o comportamento da propriedade resistência à corrosão para o aço Stavax ESR. Observa-se nesse gráfico que a resistência à corrosão sofre redução com o aumento da temperatura, porém a partir de 500 ºC inicia um processo de recuperação lenta dessa propriedade.
Figura 3 – Resistência à corrosão versus temperatura de revenimento do aço Stavax ESR [2]
O aço inoxidável martensítico apresenta alteração dimensional conforme se eleva a temperatura do revenimento. A partir de 300 ºC o aço experimenta considerável alteração dimensional como mostrado na Figura 4 em ensaios realizados para o aço Stavax ESR. Observa-se que essa variação dimensional é crescente conforme se eleva a temperatura de revenimento, alcançando o valor máximo na faixa de temperatura de 500 a 550 ºC, justamente a faixa utilizada para quando se deseja obter dureza inferior a 50 HRC. Em decorrência disso, deve-se prever adequado sobremetal para as peças, ou ferramentas, construídas em aço inoxidável martensitico e na situação de projeto em que a dureza deve se manter inferior a 50 HRC.
Figura 4 – Alteração dimensional em função da temperatura de revenimento [2]
A Figura 5 mostra todas as propriedades do aço 420F obtidas em ensaios destrutivos de corpos de prova para as propriedades “resistência à tração”, “limite de escoamento”, “tenacidade” e “dureza” [4]. A curva de tenacidade obtida mostra uma variação em função da temperatura de revenimento, ou seja, alcança um valor máximo em temperaturas na faixa de 250 a 300 ºC para, em seguida, sofrer declínio até a temperatura próxima de 500 ºC e, a partir desta temperatura a curva sofre uma inflexão na direção de crescentes valores conforme incrementa a temperatura. Em contrapartida, a curva de dureza a partir de 500 ºC, como mostrado nesse diagrama, experimenta redução para pequenos incrementos da temperatura. Assim, também nesse caso, devem se
utilizar temperaturas superiores a 500 ºC quando se deseja obter dureza inferior a 50 HRC.
Figura 5 – Principais propriedades do aço 420 F [4].
A Figura 6 mostra o comportamento das propriedades “dureza” e “tenacidade” para o aço M333 [3]. Esse aço mostra o mesmo comportamento para as propriedades “tenacidade” e “dureza” do aço 420F em função da temperatura de revenimento, porém com valores diferentes destas.
A Figura 7 apresenta a propriedade “tenacidade” em função da temperatura de revenimento utilizada para o aço M333. O fabricante desse aço sugere que para peças compactas, ou de pequenas dimensões, estas poderiam ser utilizadas com a dureza de 54 HRC (dureza obtida na faixa de temperatura de
revenimento de 200 a 300 ºC), obtendo-se a condição de melhor “resistência a corrosão” e “tenacidade”. Para peças complexas, grandes, como é o caso de
algumas matrizes para injeção de plástico com cavidades, canais de refrigeração, brusca mudança de forma e dimensões, a dureza recomendável, conforme sugere o fabricante desse aço, seria na ordem de 48 a 52 HRC (dureza obtida para temperaturas de revenimento superior a 500 ºC) e menor quadro de tensão residual. A tensão residual é o resultado das tensões desenvolvidas durante o tratamento térmico de têmpera e revenimento e que, neste caso, são “tensões de tração” na superfície do aço [5]. O melhor tratamento térmico busca reduzir ao máximo essas “tensões de tração” na superfície. Dessa forma, para um dado tipo de peça, ou matriz, as operações finais de construção – eletroerosão, corte a fio, aplicação de revestimento duro tipo “PVD” – condicionariam a seleção da melhor temperatura do tratamento térmico da etapa de revenimento.
Figura 7 – Comparação das propriedades “resistência à corrosão” e “tensão
residual” para o aço M333 [3]
O tratamento térmico seleciona os parâmetros de processo para atender à principal especificação dos aços e mede, a priori, o sucesso deste através do ensaio não destrutivo de “dureza”. Entretanto, como se depreende da observação das Figuras 5, 6 e 7 acima, nem sempre a propriedade dureza pode espelhar o melhor resultado para propriedades como “resistência a
corrosão”, “tenacidade” e “tensão residual”. Nas situações de pequenos
componentes em que se busca “polibilidade” e “resistência a corrosão” a temperatura de revenimento deve se situar entre 250 e 300 ºC. Porém mesmo para pequenos componentes onde existem etapas posteriores tais como “eletroerosão”, “corte a fio” e, ou, “revestimento duro”, deve-se utilizar temperaturas de revenimento acima de 500 ºC e, neste caso, não deve privilegiar a propriedade “dureza”. Para se obter a melhor combinação de “resistência à corrosão” e “tenacidade”, o revenimento deve ser executado na temperatura próxima de 250 ºC, conforme mostrado na Figura 5 e 7, entretanto a dureza resultante será de, no mínimo, 50 HRC, o que poderia causar dificuldades na operação de usinagem posterior dependendo do equipamento a ser utilizado e aumentar, vale novamente, e insistentemente, lembrar, o risco de se produzir “trincas” caso o aço da peça, ou matriz, ainda seja submetido a operações finais de “eletroerosão” e, ou, “corte a fio”.
Dessa forma, e resumidamente, as seguintes considerações poderiam ser utilizadas como critérios na determinação da melhor temperatura de revenimento, ou mesmo da melhor rota de tratamento térmico, tendo em vista alcançar o melhor desempenho da ferramenta em trabalho, ou “potencializar
adequadas propriedades”:
a) Seria possível a usinagem na dureza acima de 50 HRC?
b) Estaria prevista alguma operação de “erosão / corte a fio” depois do tratamento térmico?
c) A superfície do aço deve sofrer modificação por nitretação e, ou, aplicação de revestimentos duros tipo “PVD” depois da têmpera e revenimento?
e) A condição de “tensão residual” menor não teria muita importância?
Se a resposta é “sim” para todas as questões acima o revenimento deveria ser realizado, indubitavelmente, em temperatura acima de 500 ºC. A temperatura de revenimento somente poderia estar na faixa de 200 a 300 ºC se a resposta fosse “não” para os itens “b” e “c”. Assim, na seleção da melhor temperatura de revenimento é de suma importância o operador do equipamento de tratamento térmico conhecer as informações citadas acima. Harmonizar todas as propriedades como “dureza”, “resistência à corrosão”, máxima “tenacidade” e menor “tensão residual” não será possível e uma “escolha” deve ocorrer, em termos de qual propriedade se desejaria privilegiar para o aço.
A Figura 8 mostra um fluxograma com a sugestão de possíveis rotas de tratamento térmico para os aços inoxidáveis martensíticos do tipo AISI 420. A rota de tratamento térmico que contemplaria dois (2) revenimentos (mandatório) à temperatura, igual, ou maior a 500 ºC pode tornar necessário acrescentar (recomendável) um tratamento térmico de alívio de tensão (~ 500 ºC) se para concluir a construção do molde ainda ser necessário operações de “retífica”, “eletroerosão” e, ou “corte a fio”. Nesse caso é recomendável a realização desse tratamento de “alivio de tensão” em forno a vácuo para preservar a superfície acabada do aço da peça, matriz, ou ferramenta.
A utilização da rota com o tratamento térmico “sub-zero” e, ou “criogenia”, apesar de mais interessante em função da “redução à zero” do microconstituinte “austenita” que não sofreu transformação martensítica na etapa de têmpera, para harmonizar as propriedades de “resistência à corrosão” e “tenacidade” com o revenimento na faixa de 250 a 300 ºC deve ser objeto de acurada análise, “caso a caso”, com muita atenção, em função de elevados riscos envolvidos (trincas) nesta operação.
Figura 8 – Fluxograma de rotas possíveis de tratamento térmico para o aço AISI 420. Molde / Matriz Corte a Fio, Eletroerosão Nitretação, PVD depois do TT? 2 Revenimentos > = 500 ºC Revenimento < 300 ºC Possível Sub-Zero? Sim Não Revenimento < 300 ºC Não Sim Sub-Zero FIM
Alívio de Tensão após Corte a Fio, ou Retifica,
4. Conclusão
Esta breve exposição de motivos técnicos para a seleção das corretas temperaturas do tratamento térmico de têmpera e revenimento com o objetivo de se maximizar os melhores resultados de desempenho de moldes, matrizes, ou peças, construídas no aço inoxidável martensítico AISI 420 permite concluir:
• A “dureza”, a priori, não seria a principal propriedade a ser considerada no projeto da ferramenta.
• A máxima “resistência à corrosão” condicionaria a realização do revenimento na faixa de temperatura de 200 a 300 ºC, o que resultaria em dureza final acima de 50 HRC e maior “tensão residual”.
• A faixa de temperatura de 200 a 300 ºC proporcionaria a melhor “tenacidade”, porém com maior “tensão residual”.
• A melhor condição de menor “tensão residual” seria para o revenimento realizado nas temperaturas acima de 500 ºC.
• Operações depois do tratamento térmico, tais como “corte a fio”, “eletroerosão”, “retífica”, revestimentos duros tipo “PVD”, limitação de processos de usinagem e “nitretação”, condicionaria a seleção da temperatura de revenimento de igual, ou maior, a 500 ºC. Nesse caso, a dureza final poderá, em função da marca de aço equivalente ao AISI 420, ser inferior a 50 HRC.
• A melhor “tenacidade” para o aço M333 é alcançada com a temperatura de 300 ºC.
• A condição de menor “tensão residual” do aço M333 é atingida para revenimento igual, ou superior, a 500 ºC.
Bibliografia
[1] Heat Treatment of Martensitic Stainless Steels: Critical Issues in Residual Stress and Corrosion. E.D.Doyle; F.Kolak, Y.C.; Wong and T. Randle. Faculty of Engineering and Industrial Scienses, Swinburne University of Technology, Hawthorn, Victoria 3122, Australia.
[2] Catálogo de aços Uddeholm [3] Catálogo de aços Boehler [4] Catálogo de aços Gerdau
